JP2006521494A - ガスタービンの高温ガスの温度測定装置および温度調整方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、圧縮機（３）によって吸込まれる空気流（Ｌ）に液体（Ｗ）を注入する注入装置（９）と、圧縮機（３）の後に配置され空気流（Ｌ）によって燃料（Ｂ）を燃焼して高温ガス（Ｈ）を発生させる燃焼室（５）と、この燃焼室（５）の後に配置され高温ガス（Ｈ）が貫流され膨張されるタービン部（７）と、圧縮機（３）の前で空気流（Ｌ）の温度を測定する温度測定装置（Ｍ_LU）とを備え、高温ガスの温度が燃料の量によって調整されるガスタービン（１）、特に発電用の定置形ガスタービンにおける高温ガス（Ｈ）の温度調整方法に関する。湿り圧縮運転時に、高温ガスに曝された構成要素の寿命が増大されるようにするために、温度測定装置（Ｍ_TU）が注入装置（９）の前に配置され、圧縮機（３）の入口（１２）における空気流（Ｌ）の温度（Ｔ_V1）が測定された温度（Ｔ_U）により算出される。

Description

本発明は、請求項１の前文に記載のガスタービン、特に発電用の定置形ガスタービンおよび請求項５の前文に記載のガスタービンの空気流の温度を測定する温度測定装置に関する。また本発明は、請求項６の前文に記載のガスタービンの高温ガスの温度調整方法に関する。

定置形ガスタービンが機械エネルギーを発生するために利用され、その機械エネルギーが発電機によって一般に電気エネルギーに変換されることは知られている。そのために、ガスタービンにおいて、圧縮機で圧縮された空気流で化石燃料が燃焼され、その際に高温ガスが発生される。その高温ガスは続いてタービン部に導かれ、ロータで仕事をしながら膨張する。ガスタービンは電気エネルギーを発生するために十分なエネルギーがロータ軸に与えられるように駆動される。タービン部入口における高温ガスの最高温度は超過されてはならない。

タービン部入口温度はその高い値のために直接測定できない。従って、タービン部出口における排気ガスの温度が測定され、その温度からタービン部入口温度が計算により求められる。燃焼室に供給された燃料の量によって、タービン部出口温度、従って間接的にタービン部入口温度も調整され、これらの温度は圧縮機入口における空気の温度にも左右される。ガスタービンの調整を簡単にするために、タービン部出口温度と圧縮機入口温度との関連性がもはや存在しない補助量が数学モデルにより算出される。この補助量はタービン部補正出口温度と呼ばれる。これは燃料消費量にしか関係しないので、ガスタービンの調整が簡単になる。その調整は発電機で発生された電流の系統周波数に確かに左右されるが、ここではその影響は無視される。

ガスタービンの出力増大のためにガスタービンを通る質量流量を高めるために、圧縮機によって吸込まれた空気流にさらにその圧縮前に水が供給される。この運転は一般に湿り圧縮運転あるいは「湿り圧縮」として知られている。

吸込まれた空気の温度は注入された液体の温度によって規則的に変動する。圧縮機の入口に設けられ空気温度を測定する温度測定装置は注入された液体でぬらされるので、温度測定装置は空気の温度を測定するのではなく、液体の温度を測定する。

測定に応じて外見上高い圧縮機入口温度に基づいて、実際の温度より低いタービン部出口温度が求められると、推定差を補償するために、ガスタービンの調整器が燃焼室への燃料供給量を増大する。その場合、ガスタービンは過剰燃焼され、即ち、実際のタービン部入口温度が許容最高タービン部入口温度よりも大きくなる。実際の温度より低い圧縮機入口温度が測定されると、ガスタービンは過少燃焼される。

ガスタービンの過剰燃焼は、高温ガスに曝される構成要素を過熱してしまい、従ってその寿命を短縮してしまうか又は破損してしまう。これに対して、ガスタービンの過少燃焼は出力損失を生じてしまう。

本発明の課題は、湿り圧縮運転時に高温ガスに曝された構成要素の寿命が高められ、それにもかかわらずできるだけ大きな出力の発生が達せられるガスタービンを提供することにある。また本発明の他の課題は、そのような運転を実現する調整方法を提供することにある。さらに本発明の課題は、そのために適用される温度測定装置を提供することにある。

ガスタービンに関する課題は請求項１に記載の特徴によって解決される。その有利な実施態様はその従属請求項に記載されている。

本発明の解決策は、温度測定装置が空気の流れ方向に見て注入装置の前に配置され、圧縮機の入口における空気流の温度が測定された空気温度により算出されることにある。従って、注入された液体は温度測定装置をぬらさず、このために常に、吸込まれた空気流の温度が測定される。なお、保護管による温度測定装置の単純な防護策は、温度測定装置が液体でぬらされる保護管の温度を測定するために、問題の解決とならない。

有利な実施態様において、空気流の湿度が注入装置の前で空気湿度測定装置によって測定される。吸込まれた空気流の湿度および温度の特性によって、注入された液体の圧縮機入口までの経路上での蒸発が求められる。空気湿度に関係して、圧縮機の入口における温度の算出が特に精確に行われる。

圧縮機入口における空気流の温度が空気温度分布および湿度分布に基づく関数により算出されると、この計算は特に簡単にできる。

有利な実施態様において、空気温度分布および湿度分布は線図の形で設定され、これによって、空気流に注入された液体の蒸発関係が特に単純に表される。これは単純な計算に貢献する。

温度測定装置に関する課題は請求項５に記載の特徴によって解決される。温度測定装置の利点は上述のガスタービンの利点に相当している。

調整方法に関する課題は請求項６に記載の特徴によって解決される。その有利な実施態様はその従属請求項に記載されている。

その解決策は、温度測定装置が注入装置の前に配置され、圧縮機の入口における空気流の空気温度が測定された温度により算出されることにある。その調整方法の利点は上述のガスタービンの利点に相当している。

本発明に基づく調整方法の有利な実施態様において、１００％蒸発によって、圧縮機の入口における温度の代わりに利用される最低可能温度が求められる。その場合、注入装置によって注入された液体が、圧縮機入口に相対空気湿度１００％を生じるように蒸発されることが前提とされる。この前提のもとで、測定された空気湿度および空気温度に関連して、圧縮機入口における達成可能な最低（最小）温度が求められる。いま、圧縮機入口における空気流の温度としてその最低可能温度が利用されると、圧縮機入口における実際の温度は、空気湿度１００％が外的作用なしに決して得られないので、最低可能温度より常に高い。この場合、ガスタービンは常に過少燃焼される。これによって、高温ガスに曝された構成要素の過熱は防止され、これによってその構成要素の寿命は短縮されない。

圧縮機の入口における空気流温度が空気流に注入された液体の実際の蒸発を考慮に入れて算出されると、ガスタービンの改善された調整を生じる。蒸発効率は計算によりおよび／または実験によって求められ、この蒸発効率から最低可能温度によって圧縮機入口における空気温度が求められる。この調整方法によって、注入された液体の圧縮機入口までの経路上での蒸発に関する実際条件を形成することができ、そのようにして、ガスタービンの過剰燃焼並びに過少燃焼を防止するガスタービンの確実な且つ出力増強する運転を行なうことができる。

調整方法の有利な実施態様において、空気流に注入された液体の量が蒸発に関係して変化される。通常、ガスタービンの圧縮機は、圧縮中に蒸発される予め定められた液体量に対して設計されている。しかし注入された液体が僅かに圧縮前に既に蒸発によって気化され、それゆえ圧縮機は最良範囲で運転されなくなる。注入された液体の量を適量にすることによって、この欠点は防止される。

主に液滴特性並びに幾何形状、即ち、圧縮機の構成要素の立体的配置に関係する蒸発効率は、実験で推定されおよび／または計算で求められ、これはモデルあるいは式で調整器に記憶される。過少燃焼の防止によってガスタービンの出力効率が高められ、ガスタービンの過剰燃焼の防止によって高温ガスに曝される構成要素の寿命が害されない。

本発明の調整方法の利点は上述のガスタービンの利点に応じて生ずる。

以下において本発明を図を参照して詳細に説明する。
図１はガスタービン設備、
図２は図１のガスタービンの吸込み室を示す。

図１には、ガスタービン１およびこれに連結された発電機２によって化石エネルギーを電気エネルギーに変換するガスタービン設備が概略的に示されている。定置形ガスタービン１は主に圧縮機３と燃焼室５とタービン部７とを有している。圧縮機３はタービン部７および発電機２に共通のロータ軸１０を介して結合されている。

ガスタービン１の運転中、圧縮機３によって空気が吸込み室１１を通して吸い込まれ、圧縮される。その圧縮空気は止め弁８を通して供給される燃料Ｂとバーナで混合され、燃焼室５に供給される。その混合気は運転中に燃焼され、高温ガスＨが発生され、この高温ガスＨは続いてタービン部７に流入する。そこで高温ガスＨは膨張し、ロータ軸１０を駆動する。その後、高温ガスＨは排気ガスＡとしてガスタービン１から排気ガス通路（図示せず）に排出される。ロータ軸１０は圧縮機３並びに発電機２を駆動する。

タービン部７の入口１４における高温ガスＨの温度Ｔ_T1を測定することができないので、ガスタービン１の運転を調整するために、タービン部７の出口６における高温ガスＨの温度Ｔ_ATが温度測定装置Ｍ_ATによって監視される。燃焼室５に供給された燃料Ｂの量によって、ガスタービン１の出力並びにタービン部出口温度Ｔ_AT、従って間接的にタービン部入口温度Ｔ_T1が調整される。ガスタービン1への燃料Bの体積流の増大は、高温ガスHの温度を上昇させ、ガスタービン１の出力を増大させる。そのために調整器１３が止め弁８を調整する。調整器１３は止め弁８の出口を制御する。

タービン部入口温度Ｔ_T1は圧縮機３の前で吸込まれた空気流Ｌの温度Ｔ_V1にも左右されるので、その空気温度Ｔ_V1も定常的に、即ち、全運転期間中に周期的に繰り返し検出あるいは測定される。

タービン部補正出口温度Ｔ_ATKが次式に基づいて補助量として求められることによって、タービン部出口温度Ｔ_ATと空気温度Ｔ_V1との関連性が調整器１３によって取り除かれる。
Ｔ_ATK＝Ｔ_AT−ｋ₁・Ｔ_V1 （１）
従ってタービン部補正出口温度Ｔ_ATKは燃料Ｂの供給量にしか関係せず、これによってガスタービン１は、制御量としてのタービン部補正出口温度Ｔ_ATKの調整によって、操作量としての燃料Ｂの体積流の設定によって容易に調整される。またタービン部補正出口温度Ｔ_ATKは二次方程式に基づいて、あるいは他の関数に基づいて求めることもできる。

調整器１３は入力端を有し、この入力端でタービン部補正出口温度の目標値Ｔ_Sollが設定される。調整器１３において目標値Ｔ_Sollと求められたタービン部補正出口温度Ｔ_ATKとの比較が行われる。実際値つまりタービン部補正出口温度Ｔ_ATKが目標値Ｔ_Sollより小さい場合および大きい場合、それぞれ調整器１３が止め弁８を介して燃料供給量を増大および減少させる。

ガスタービン１が空気流Ｌへの液体の注入なしに運転されるとき、吸込み室１１の前に配置された温度測定装置Ｍ_LUで、圧縮機入口１２における空気流の温度Ｔ_V1が直接測定される。

図２にはガスタービン１の吸込み室１１が示されている。温度測定装置Ｍ_TUは注入装置９の上側に配置されているので、注入された液体Ｗが温度測定装置Ｍ_TUおよび空気湿度測定装置Ｍ_FUをぬらすことはない。

湿り圧縮運転中、吸込み室１１内で吸込まれた空気流Ｌに注入装置９を介して液体Ｗ、特に水が注入される。

吸込み室１１の上流で、吸込まれた空気の温度Ｔ_Uが温度測定装置Ｍ_LUによって、空気湿度Ｆ_Uが空気湿度測定装置Ｍ_FUによってそれぞれ測定される。それらの出力端は調整器１３の入力端に接続されている。

調整のために必要な圧縮機３の入口１２における温度Ｔ_V1は、調整器１３において、測定値に関係して且つモデルに基づいて求められる。これによって、（１）式を利用したタービン部補正出口温度Ｔ_ATKの調整によるガスタービン１の調整が、注入された燃料Ｂの量によって行われる。

圧縮機３によって吸込まれる空気流Ｌに液体Ｗを注入するガスタービン１の運転が計画されるとき、２種類の調整方式が考えられ、即ち、１００％の仮定空気湿度を生じさせる理論蒸発による調整と、可変蒸発による適合調整が考えられる。

理論蒸発による調整の場合、注入された液体が、圧縮機入口１２で吸込まれた空気流Ｌが１００％空気湿度になるように蒸発されることが前提とされる。この前提のもとで、空気流Ｌの測定された温度Ｔ_Uおよび空気湿度Ｆ_Uを参考にして、圧縮機入口１２における温度Ｔ_V1を代理する達成可能な最低温度Ｔ_WetBulbが求められる。そのようにして求められた圧縮機入口温度Ｔ_V1は計算により、測定技術で電子式に形成される線図から、あるいは数式によって導出される。タービン部補正出口温度Ｔ_ATKを求める調整器１３における式は次の通りである。
Ｔ_ATK＝Ｔ_AK−ｋ₁・Ｔ_WetBulb （２）

実際運転において１００％の空気湿度は決して達成されないので、圧縮機３の入口１２における実際温度Ｔ_V1は常に想定された達成可能な最低温度より大きい。達成可能な圧縮機入口最低温度Ｔ_WetBulbの利用によってその都度過大なタービン部補正出口温度Ｔ_ATKが求められ、このために調整器１３は常に過少量の燃料Ｂをバーナに供給する。そのようにして、ガスタービン１の過剰燃焼が防止される。それに応じて、タービン部翼、案内輪、翼台座および燃焼室熱シールドのような、高温ガスに曝されたガスタービンの構成要素は、規定どおりの温度を受け、それらの早期劣化が防止される。

ガスタービン１の適合調整の際、圧縮機３の入口１２における空気湿度が求められる。しかしこの空気湿度は１００％より小さく、空気流Ｌの測定された空気湿度Ｆ_U、測定された温度Ｔ_Uおよび注入装置９によって注入された液体Ｗの量に関係して求められる。その良好な計算のために、吸込まれた空気流Ｌにおける液体Ｗの蒸発効率ηが、圧縮機３の入口１２における温度Ｔ_V1を求めるのに関与する。

液体Ｗによる空気流Ｌの飽和効率は次式で計算される。
η＝（Ｔ_U−Ｔ_V1）／（Ｔ_U−Ｔ_WetBulb） （３）

（３）式に（１）式のＴ_V1を代入して解くことによって、次式が得られる。
Ｔ_ATK＝Ｔ_AT−ｋ₁・〔Ｔ_U−η・（Ｔ_U−Ｔ_WetBulb）〕 （４）

注入された水の液滴特性並びに幾何形状、即ち、圧縮機３の構成要素の立体的配置に関係する蒸発効率ηは計算によりおよび／または実験によって求められ、これはモデルあるいは線図により調整器１３に電子式に記憶される。

圧縮機３の入口１２に１００％より低い空気湿度を生じさせる液体Ｗの蒸発は実際条件を良好に表し、これによってガスタービンの改善された調整が行われる。

（４）式で求められたタービン部補正出口温度Ｔ_ATKは（２）式で求められたタービン部補正出口温度Ｔ_ATKより小さく、従って、過小として想定されたタービン部入口温度Ｔ_T1による出力損失が避けられる。

さらに、圧縮機３の入口１２の前で蒸発する液体Ｗの量が求められ、その量はその後付加的に注入装置９によって補給される。これは、圧縮時、即ち、圧縮機３内で蒸発した液体Ｗの分量だけが湿り圧縮によってガスタービン１の出力増大に貢献するので、ガスタービン１の出力を一層高める。

ガスタービン設備の概略図 図１のガスタービンの吸込み室の概略図

符号の説明

１ ガスタービン
３ 圧縮機
５ 燃焼室
７ タービン部
９ 注入装置
１２ 圧縮機入口
Ｈ 高温ガス
Ｗ 液体
Ｂ 燃料
Ｌ 空気流
Ｍ_TU 温度測定装置
Ｍ_LU 温度測定装置
Ｔ_V1 空気流温度
Ｍ_FU 空気湿度測定装置

Claims (14)

1. 圧縮機（３）によって吸込まれる空気流（Ｌ）に液体（Ｗ）を注入する注入装置（９）と、圧縮機（３）の後に配置され空気流（Ｌ）によって燃料（Ｂ）を燃焼して高温ガス（Ｈ）を発生させる燃焼室（５）と、この燃焼室（５）の後に配置され高温ガス（Ｈ）が貫流され膨張されるタービン部（７）と、空気流（Ｌ）の温度を測定する温度測定装置（Ｍ_LU）とを備えたガスタービン（１）、特に発電用の定置形ガスタービンにおいて、
   温度測定装置（Ｍ_TU）が注入装置（９）の前に配置され、圧縮機（３）の入口（１２）における空気流（Ｌ）の温度（Ｔ_V1）が測定された温度（Ｔ_U）により算出される
   ことを特徴とするガスタービン、特に発電用の定置形ガスタービン。
2. 注入装置（９）の前で空気湿度測定装置（Ｍ_FU）によって空気流（Ｌ）の湿度が測定されることを特徴とする請求項１記載のガスタービン。
3. 温度（Ｔ_V1）が温度分布および湿度分布に基づく関数により算出されることを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン。
4. 温度分布および湿度分布が線図の形で設定されることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のガスタービン。
5. 圧縮機（３）によって吸込まれる空気流（Ｌ）に液体（Ｗ）を注入する注入装置（９）と、圧縮機（３）の後に配置され空気流（Ｌ）によって燃料（Ｂ）を燃焼して高温ガス（Ｈ）を発生させる燃焼室（５）と、この燃焼室（５）の後に配置され高温ガス（Ｈ）が貫流され膨張されるタービン部（７）とを備えたガスタービン（１）、特に発電用の定置形ガスタービンにおける圧縮機（３）の前で空気流（Ｌ）の温度を測定する温度測定装置（Ｍ_TU）において、
   温度測定装置（Ｍ_TU）が注入装置（９）の前に配置され、圧縮機（３）の入口（１２）における空気流（Ｌ）の温度（Ｔ_V1）が測定された温度（Ｔ_U）により算出される
   ことを特徴とするガスタービン、特に発電用の定置形ガスタービンにおける圧縮機の前で空気流の温度を測定する温度測定装置。
6. 圧縮機（３）によって吸込まれる空気流（Ｌ）に液体（Ｗ）を注入する注入装置（９）と、圧縮機（３）の後に配置され空気流（Ｌ）によって燃料（Ｂ）を燃焼して高温ガス（Ｈ）を発生させる燃焼室（５）と、この燃焼室（５）の後に配置され高温ガス（Ｈ）が貫流され膨張されるタービン部（７）と、圧縮機（３）の前で空気流（Ｌ）の温度を測定する温度測定装置（Ｍ_TU）とを備え、高温ガスの温度が燃料の量によって調整されるガスタービン（１）、特に発電用の定置形ガスタービンの高温ガス（Ｈ）の温度調整方法において、
   温度測定装置（Ｍ_TU）が注入装置（９）の前に配置され、圧縮機（３）の入口（１２）における空気流（Ｌ）の温度（Ｔ_V1）が測定された温度（Ｔ_U）により算出される
   ことを特徴とするガスタービン、特に発電用の定置形ガスタービンの高温ガスの温度調整方法。
7. 高温ガス温度がタービン部（７）の出口（６）で測定されることを特徴とする請求項６記載の調整方法。
8. 注入装置（９）の前で空気湿度測定装置（Ｍ_FU）によって空気流（Ｌ）の湿度（Ｆ_U）が測定されることを特徴とする請求項６又は７記載の調整方法。
9. 温度（Ｔ_V1）が、圧縮機（３）の入口（１２）で１００％空気湿度（Ｆ_U）を生じるような大きさの蒸発が想定される最低可能温度（Ｔ_WetBulb）に指定されることを特徴とする請求項６乃至８の１つに記載の調整方法。
10. 温度（Ｔ_V1）が空気流（Ｌ）に注入された液体（Ｗ）の蒸発を考慮して算出されることを特徴とする請求項６乃至８の１つに記載の調整方法。
11. 空気流（Ｌ）に注入された液体（Ｗ）の量が蒸発に関係して変化されることを特徴とする請求項６乃至１０の１つに記載の調整方法。
12. 液体が水、特に蒸留水であることを特徴とする請求項６乃至１１の１つに記載の調整方法。
13. 温度（Ｔ_V1）が温度分布および湿度分布に基づく関数により算出されることを特徴とする請求項６乃至１２の１つに記載の調整方法。
14. 関数が線図の形で設定されることを特徴とする請求項６乃至１３の１つに記載の調整方法。

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